(57)【要約】【課題】混合前の各成分液では硬化時間が遅く、それぞれを混合することにより一定時間経過後に強度発現を生じ、初期強度および長期強度発現性が良好であり、長時間にわたって地盤中へ高い浸透性を有し、反応後は地盤を安定させる急硬化材、および当該急硬化材を含む成分Ａ液と主硬化成分を含む成分Ｂ液を混合してなる注入材を提供すること。【解決手段】１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の含有率が５０重量％以上であるカルシウムアルミネートと石膏とを３／７〜７／３の重量比率で混合した混合物１００重量部に対し、アルミン酸ナトリウムを０．５〜５重量部混合した粉体からなることを特徴とする急硬化材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の含有率が５０重量％以上であるカルシウムアルミネートと石膏とを３／７〜７／３の重量比率で混合した混合物１００重量部に対し、アルミン酸ナトリウムを０．５〜５重量部混合した粉体からなることを特徴とする急硬化材。
【請求項２】
スラグ含有物を主硬化材とする注入材用である請求項１記載の急硬化材。
【請求項３】
請求項１記載の急硬化材と遅延剤と水からなる成分Ａ液と、少なくともスラグを含む主硬化材と分散剤と水からなる成分Ｂ液を混合してなることを特徴とする注入材。
【請求項４】
主硬化材のブレーン比表面積が８０００ｃｍ2／ｇ以上であることを特徴とする請求項３記載の注入材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルやダムなどの構造物周辺の不安定な地盤を強化安定させる地盤注入材に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルやダムなどの構造物を付設する場合、周囲の地盤が不安定である場合には、地盤を強化した後に構造物の施工を行う。地盤の強化には、硬化成分を含む液体状のものを地盤中へ注入し強化安定を図る。
【０００３】
注入材として使用される材料は、有機系と無機系のもの材料があり、有機系では、アクリルアミド、尿素ホルマリン、ウレタン等があり、短時間で強度発現する。しかしながら有機系の材料は、有害な有機成分が微量溶出し、地下水へ汚染することが懸念されている。
【０００４】
無機系の材料は、セメントを主成分とするスラリーと、急硬化材を成分とするスラリーを注入箇所まで圧送し、地盤に浸透注入させる。この注入材には、ある程度浸透した後に、硬化が始まることが求められている。この場合、各スラリーのみではほとんど硬化せず、もしくは数時間から数日硬化せず、両材料を混合することにより、すみやかにもしくは数分から数時間後にゲル化し、硬化が開始される材料が求められる。
急硬化材には、珪酸ナトリウム、カルシウムアルミネートが用いられている。急硬化材に珪酸ナトリウムを使用した場合には、初期強度発現性は高いが、長期強度発現性が悪く、ゲルタイムの調整が困難である。また、地盤が高いアルカリ性になることに加え、ナトリウムが溶出する為、長期の耐久性も悪い。
また、普通ポルトランドセメント等を使用したセメントスラリーと急硬化材を使用する注入材は、砂質土に注入する場合、セメント粒子が概して大きいため砂粒子間を通ることができず、また、急結成分と併用すると水和反応が著しく速くなって浸透中に硬化し易く、これが目詰まりして、地盤中への浸透性が著しく劣る。
【０００５】
特許文献１には、カルシウムアルミネートを主成分とするセメント用の急結材が記載されている。主としてモルタルコンクリートの急結材であり、注入材に用するものではない。この急結材を水セメント比が大きい注入材として使用した場合には、急結性能が不十分である。
特許文献２には、カルシウムアルミネート、石膏およびスケール発生防止剤を含有する注入材が記載されている。この成分を含有するＡ液と、セメントを含むＢ液を混合し、地盤中へ注入することで急結させ、地盤を固化する。スケール発生防止剤としてミョウバン、アルミニウム塩や鉄塩が挙げられている。特許文献３には、カルシウムアルミネート、石膏、硫酸アルミニウムを含有する注入材が記載されており、特許文献２と同様である。これらの引用文献２及び３に記載されているアルミニウム塩や鉄塩等が存在すると、Ａ液単独の可使時間としては長くなるが、Ａ液のカルシウムアルミネートと石膏とが水和反応するため、時間経過につれゲルタイムが短くなり、強度が低下する等、長時間にわたって性能を保持できない。
【特許文献１】特許第３２０５６７２号公報
【特許文献２】特開２００１−１６４２４９号公報
【特許文献３】特開２００１−１６４２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、混合前の各成分液では硬化時間が遅く、それぞれを混合することにより一定時間経過後に強度発現を生じ、初期強度および長期強度発現性が良好であり、長時間にわたって地盤中へ高い浸透性を有し、反応後は地盤を安定させる急硬化材、および当該急硬化材を含む成分Ａ液と主硬化成分を含む成分Ｂ液を混合してなる注入材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、本発明者らは鋭意研究した結果、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3のを特定量含有するカルシウムアルミネートと石膏とを一定比で配合し、かつさらにアルミン酸ナトリウムを一定量混合した成分Ａ液と、スラグを含む主硬化材と分散剤と水からなる成分Ｂ液を注入箇所で混合し注入することで、浸透途中で硬化して目詰まりを起こし難く、高い浸透能力を有し、且つ初期から長期にわたって良好な強度発現を持つ注入材を見出した。また、製造後数１０分経過後でもゲル化時間が変化しないことも見出した。
【０００８】
即ち、本発明は、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の含有率が５０重量％以上であるカルシウムアルミネートと石膏とを３／７〜７／３の重量比率で混合した混合物１００重量部に対し、アルミン酸ナトリウムを０．５〜５重量部混合した粉体からなることを特徴とする急硬化材を提供するものである。
また、本発明は、上記急硬化材と遅延剤と水からなる成分Ａ液と、少なくともスラグを含む主硬化材と分散剤と水からなる成分Ｂ液を混合してなることを特徴とする注入材を提供するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、急硬化材を含む成分Ａ液と、スラグ等の潜在水硬性物質を硬化成分とする主硬化材を含む成分Ｂ液が、それぞれ単独の状態では硬化反応は著しく遅く、また強度も低いが、両液を混合することにより急硬化成分による硬化材の硬化が適度な急速性を呈する反応となることに加え、注入材中の硬化成分が凝集し難いため、注入浸透中に目詰まりが起こり難く、地盤深部まで満遍なく浸透できかつ一定時間経過後早期に強度発現を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の急硬化材は、カルシウムアルミネートと石膏とアルミン酸ナトリウムを混合した粉体からなる。さらに、当該急硬化材は、スラグ含有物を硬化成分とする注入材用であることが好ましい。
本発明の急硬化材に用いるカルシウムアルミネートは、化学成分としてのＣａＯとＡｌ2Ｏ3の含有モル比が１．５〜２、好ましくは１．６〜１．８の混合物又は組成物を、例えば約１３００℃以上の温度で焼成し、望ましくは徐冷することによって得ることができる。その主な鉱物組成としてはＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3（以下、ＣＡ）、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3（以下、Ｃ１２Ａ７）、３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3（以下、Ｃ３Ａ）等の１種又は２種以上を有し、特に１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3の含有率が５０重量％以上含むものである。
ここでカルシウムアルミネートに含まれるＣａＯとＡｌ2Ｏ3の含有モル比が１．５〜２から外れると、結晶質として比較的安定なＣ１２Ａ７成分が形成され難くなる。また、冷却過程で急冷すると非晶質相が支配的に形成されるので好ましくない。
【００１１】
該カルシウムアルミネートの鉱物組成としての各成分の含有割合は、成分Ａ液と成分Ｂ液混合後も高い浸透性を有する注入材を得るために、Ｃ１２Ａ７成分が５０重量％以上が好ましく、さらに６０重量％以上、特に７５重量％以上が好ましい。該カルシウムアルミネート中に、Ｃ１２Ａ７成分が５０重量％以上含まれると、１日程度の初期強度発現性に優れ、かつ長期にわたって強度発現する。
なお、他のＣＡ成分やＣ３Ａ成分等の含有率は特に限定されないが、該カルシウムアルミネート中に、ＣＡ成分の含有率が高くなると初期強度が悪くなり、Ｃ３Ａ成分の含有率が高くなると長期強度が悪くなる。また、非晶質の含有率が高くなると、非晶質は反応活性が高い為、水と混合した後の液の安定性が悪くなる。さらに、Ｃ３Ａ成分および非晶質の含有率が高くなると、成分Ａ液と成分Ｂ液を混合後直ちに反応が開始されるため、瞬結化したり、反応生成物による粘性の上昇および注入材の粒子径の増大し、浸透性が著しく低下する。また、カルシウムアルミネートを粉体のままで長期間放置すると空気中の水分と反応するため性能が劣化して保存期間が短くなる。
【００１２】
本発明の急硬化材に用いる石膏は、特に限定されず、無水石こう、半水石こう、ニ水石こうから選ばれる１種又２種以上を用いることができる。
本発明の急硬化材に用いるカルシウムアルミネートと石膏の混合比率は３／７〜７／３が好ましく、４／６〜７／３がより好ましい。この範囲内であればエトリンガイトの生成に必要十分な量となり、注入材として反応後の強度特性も良好なものとなる。石膏とカルシウムアルミネートを含む成分Ａ液と水硬性成分を含む成分Ｂ液を混練すると急速に反応し、エトリンガイト等を生成し、早期のゲル化を実現させる。
【００１３】
また、カルシウムアルミネートと石膏の混合物は、浸透性を良好なものとする為、粉体のブレーン比表面積が５０００〜１００００ｃｍ2／ｇの範囲内であることが好ましく、さらに６０００〜９０００ｃｍ2／ｇの範囲内であることが好ましい。５０００ｃｍ2／ｇを下回ると注入材粒子が地盤中への間隙を通過することができず、また１００００ｃｍ2／ｇを超えると反応活性が高くなるため、スラリーＡ液作製直後およびスラリーＡ液とＢ液混合後には直ちに反応が開始され、反応生成物による粘性の上昇および注入材の粒子径の増大のため、施工性及び浸透性が著しく低下する。
【００１４】
本発明の急硬化材に用いるアルミン酸ナトリウムは、石膏とカルシウムアルミネートの反応を抑制することができる。石膏とカルシウムアルミネートと水の混合物は、このスラリー自身でエトリンガイトを生成するため、混合直後から反応を開始し、セメントとの反応有効成分が時間と共に減少していく。このスラリーにアルミン酸ナトリウムを混合すると、アルミニウムイオンとナトリウムイオンの作用によりこの反応を抑制することが出来る。このためセメントとの硬化反応有効成分が長時間にわたり残存する。
【００１５】
アルミン酸ナトリウムの添加量は、カルシウムアルミネートと石膏の混合物１００重量部に対して０．５〜５重量部添加するのが好ましく、０．７５〜３重量部がより好ましい。０．５重量部より少ないと、Ａ液単独の反応が急速に進むためセメントとの硬化成分が減少し、セメントスラリーと混合した注入材の強度特性が悪くなる。５重量部よりも多いと、硬化遅延となるため、短期の強度発現が悪くなる。
【００１６】
本発明における注入材は、上記急硬化材と遅延剤と水からなる成分Ａ液と、少なくともスラグを含んだ主硬化材と分散剤と水からなる成分Ｂ液を混合してなる。
それぞれ単独の状態では硬化反応は著しく遅く、また強度も低いが、両液を混合することにより一定時間経過後急硬化材が硬化材の硬化を急速に反応させ、早期に強度発現を得ることができる。
さらに、少なくとも一日強度で１Ｎ／ｍｍ2以上必要であり、２液混合後のゲルタイムは施工状況に応じた所望の時間を確保できれば良い。
【００１７】
本発明における注入材の特性として、２液混合後目的の注入範囲に浸透後地盤中へ留まり、そこで強度発現する必要がある。２液混合後に一定時間経過後急速に反応して可塑状態となり、このときの可塑状態になるまでの時間は２液の成分、注入する圧力や注入範囲等によって設定されるが、初期の設定した可塑状態までの時間が各液作製直後に２液混合した場合と時間経過して２液混合した場合でも変化しないことが好ましい。この時間の差が大きすぎるとすると地盤を改良する範囲が変り、安定して十分な補強ができず、また、砂地盤の間隙に注入されるため強度としてはこれら軟弱地盤を強化する必要がある。一方で、２液混合後、作業工程中に急速に反応しすぎて可塑すると注入作業が困難となるため、一定時間経過後急速に反応して可塑状態になることが好ましい。
【００１８】
本発明に用いる成分Ａ液は、上記急硬化材と遅延剤と水からなる。上記急硬化材１００重量部に対して水を１００〜１０００重量部添加するものが好ましい。添加する水が上記１００重量部を下回ると、スラリーの粘性が上昇し、施工性が著しく低下する。一方で１０００重量部超えると、水硬性成分に対する硬化促進の為の有効成分が少なくなる為、注入した注入材が未硬化のまま流冒したり、初期から長期にわたって強度発現が低迷することがある。
【００１９】
本発明に用いる遅延剤は、種類について特に限定されないが、例えばモルタルやコンクリートで使用できるもので良く、遅延剤の種類としてクエン酸、グルコン酸、酒石酸等のカルボン酸やグルコース、マルトース、デキストリン等の多糖類、二糖類、単糖類等を１種または２種以上混合して使用することができる。遅延剤は、急硬化材のスラリーと水硬性成分のスラリーを混合した後の急速な反応を抑制し、また急硬化材のスラリーの安定性を高くすることができる。この急速な反応は液状から可塑状態とり、浸透中の注入材はそこで地盤中に留まる。
本発明に用いる遅延剤は、添加量の増加とともにゲルタイムは長くなるが、注入方法によって添加量を決定する。特に、遅延剤の添加量は、上記急硬化材１００重量部に対して０．０１〜５重量部添加し、より好ましくは０．０５〜３重量部添加する。０．０１重量部未満ではスラリーの安定性が悪くなり、時間経過と共にセメントに対する急硬化材の有効成分が減少し、水硬性成分のスラリー混合後の強度発現性は低いものとなる５重量部をこえると、初期強度が著しく低下する。
【００２０】
本発明に用いる成分Ｂ液は、主硬化材と分散剤（減水剤）と水からなるものであることが好ましい。主硬化材には、少なくとも潜在水硬性物質であるスラグを含む主硬化成分を含み、さらに施工性や浸透性を高めるためにモルタルやコンクリート用の混和材・剤を添加してもよい。
一般的に、スラグ以外の主硬化成分としては、水と反応して硬化する水硬性物質を挙げることが出来る。主硬化成分は、Ｃ１２Ａ７を含有するカルシウムアルミネートと石膏がエトリンガイト等へ急速に反応するための刺激材であるとともに、それ自身が水和反応し強度発現する。水硬性物質として普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント等のポルトランドセメントを使用することができるが、スラグを含ませずにポルトランドセメント等のみを使用した場合、シルト質のような土粒子の小さい地盤中への注入は困難となる。また、これらポルトランドセメント等の粒子径を小さくすると地盤中に広い範囲で浸透させることができるが、セメントのみでは粒子同士が凝集しやすく、凝集によって浸透性を阻害する。また普通ポルトランドセメントやそれよりも水和活性の高い水硬性物質のみの使用では注入浸透中に凝結し易く、これが地盤浸透時に目詰まりを起こし、深部まで注入材が浸透し難くなることがある。よって、本発明では、微粒子でも凝集が起こりにくく、潜在水硬性物質であるスラグを含有する主硬化成分を使用する。
【００２１】
本発明のスラグを含む主硬化成分におけるスラグは、セメント１００重量部に対し、３５０〜９００重量部配合するのが好ましい。
本発明に用いるスラグの種類は特に限定されず、例えば高炉スラグ、下水溶融スラグ、都市ゴミ焼却灰溶融スラグ、転炉スラグ、脱リンスラグ等が挙げられ、これらのスラグ微粉末を用いることができる。
本発明に用いる主硬化成分のブレーン比表面積は、８０００〜１２０００ｃｍ2／ｇが好ましく、８０００ｃｍ2／ｇ未満では、浸透性が著しく低下する。また、１２０００ｃｍ2／ｇを超えるとスラリーの粘性が高くなるため、圧送性、浸透性が低下する。
【００２２】
本発明に用いる成分Ｂ液に含まれる水の量は、主硬化成分１００重量部に対して６０〜１０００重量部、さらに１００〜５００重量部が好ましい。添加する水が６０重量部未満では、粘性が高くなり浸透が困難となる。一方で１０００重量部を超えると、急硬化材と混合後の硬化強度が著しく悪くなる。
【００２３】
Ｂ液に含まれる分散剤（減水剤）は、特に限定されず、例えば、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤及び流動化剤を含む減水剤等が挙げられる。
分散剤は地盤への浸透性に支障をきたさないようにするため、セメント１００重量部に対し、０．０５〜５重量部、さらに０．５〜３重量部添加するのが好ましい。
また、主硬化材は、主硬化成分と共に、モルタルやコンクリートで使用可能な他の混和材・剤を適宜含むものであっても良い。このような混和材・剤として、例えばシリカフューム等のポゾラン等の潜在水硬性物質、石粉、樹脂エマルション、膨張材、起泡剤、発泡剤、防錆剤、顔料、繊維、撥水剤、防水材、消泡剤、硬化促進剤、粉塵低減剤、収縮低減剤、増粘剤、水中不分離性混和剤等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を本発明による効果を阻害しない範囲で使用することができる。
【００２４】
成分Ａ液と成分Ｂ液の混合比率は、所望のゲルタイムを確保し、且つ良好な施工性を得る上で、容積比で２５：７５〜７５：２５が好ましく、４０：６０〜６０：４０がより好ましい。
【００２５】
成分Ａ液と成分Ｂ液の混合方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、それぞれのミキサーに混練、調整した後に、成分Ａ液と成分Ｂ液を別々に圧送し、Ｙ字管で混合する方法や二重管を用い内管と外管に別々に圧送し二重管の先端部で合流させる方法等いずれの方法も使用できる。即ち、単管ロッド工法、単管ストレーナ工法、二重管単相ストレーナ工法、及び二重管複相ストレーナ工法等の現在使用されている注入工法に本発明の注入材が使用できる。これらの中では、単管ロッド工法や単相ストレーナ工法に比べ、均一な改良体を形成できる点で、二重管単相ストレーナ工法又は二重管複相ストレーナ工法を使用することが好ましい。
【実施例】
【００２６】
使用した材料である、主成分（カルシウムアルミネート及び石膏）と添加剤を含む急硬化材と遅延剤と水からなる成分Ａ液（Ａ液ともいう）および少なくともスラグを含む主硬化材と分散剤と水からなる成分Ｂ液（Ｂ液ともいう）を表１に示す。
なお、ゲルタイムを調整するため、遅延剤として、混和材を成分Ａ液に添加した。また、主硬化材は、セメント１００重量部に対してスラグを重量比で４００重量部混合したものをボールミルで粉砕し，所定の粒度となるように調整したものを使用した。
【００２７】
カルシウムアルミネートは、ＣａＣＯ3とＡｌ2Ｏ3を混合粉砕して電気炉で１４００℃で焼成して、徐冷したものを用いた。この焼成徐冷物は、Ｘ線回折の結果、結晶質Ｃ１２Ａ７含有率が７５％、非晶質含有率が２５％であった。また、焼成徐冷物に添加する焼成非晶質（非晶質１００％）は、１４００℃から水で急冷したものを使用した。
なお、焼成徐冷物中のＣ１２Ａ７と非晶質の含有率は、Ｃ１２Ａ７含有量１００％の粉末と非晶質含有量１００％の粉末を一定の比率で混合してものを用いて検量線を作成して本実施例で用いたカルシウムアルミネート中の含有量を測定した。
【００２８】
【表１】
2007137745.tif 000002
【００２９】
（実施例１）
急硬化材を含むＡ液及び主硬化材を含むＢ液を同量混合してなるスラリーについて測定した。測定は、Ａ液を作製直後にＢ液と混合したのもの（Ａ作製直後）と、作製したＡ液を３０分練り置きさせた後にＢ液と混合したもの（Ａ作製後３０分経過）について実施した。
各試料を作製後、ゲル化するまでの時間をゲルタイムとして測定し、さらに混合した液をモールドに充填し、所定期間湿空養生にて養生し、ＪＩＳ  Ａ  １２１６の「土の一軸圧縮試験方法」で材齢1日後の一軸圧縮強さを測定した。
急硬化材を含むＡ液の配合を表２に示し、主硬化材を含むＢ液の配合を表３に示す。主硬化材として、ブレーン比表面積が８１２０ｃｍ2／ｇの物を使用した。
【００３０】
【表２】
2007137745.tif 000003
【００３１】
【表３】
2007137745.tif 000004
【００３２】
【表４】
2007137745.tif 000005
【００３３】
実施例１の結果を表４に示す。
本発明における注入材は、ゲルタイムが確保でき、材齢１日の一軸圧縮強さが１Ｎ／ｍｍ2以上認められるものを良好とした。Ａ液作製直後にＢ液を混合したものとＡ液作製後３０分経過後にＢ液を混合したものとの差が少ないものほどより良好である。
【００３４】
Ｃ１２Ａ７含有率が約５０％以上のカルシウムアルミネートと石膏を混合したもの１００重量部に対してアルミン酸ナトリウムを０.５〜５重量部添加すると、混練直後から混練３０経過後までほぼ性能が変らない、もしくは劣化の割合が小さい。
しかしながら、カルシウムアルミネート中のＣ１２Ａ７含有率が５０％を下回ると、混練後３０分経過した時のゲルタイムが大幅に短くなる。また他の添加剤を使用すると、混練後時間経過すると性能が変化する。
【００３５】
（実施例２）
表５および表６に示す配合で浸透性の試験を実施した。浸透性の試験は、直径５０ｍｍの下部に小穴のあいたビニール袋に珪砂（６号）を２０ｃｍ詰め、上部からＡ液Ｂ液を混合した注入材１００ｍＬを注ぎ込み、浸透状態を観察した。
【００３６】
【表５】
2007137745.tif 000006
【００３７】
【表６】
2007137745.tif 000007
【００３８】
【表７】
2007137745.tif 000008
【００３９】
実施例２の結果を表７に示す。Ｃ１２Ａ７含有率が５０％以上のカルシウムアルミネートの急硬化材（配合ｐ）とブレーン比表面積が６２５０〜１２０００ｃｍ2／ｇの主硬化材（配合Ｂ〜Ｅ）を混合した注入材で浸透性が見られ、ブレーン比表面積が８１２０〜１００００ｃｍ2／ｇでより高い浸透性が見られた。